多核架构的基本概念

目录

1.为什么使用多核

2.多核分类

2.1 同构和异构

2.2 SMP和AMP

3 小结

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1.为什么使用多核

这个问题个人认为可以从两个方面来看：

• 性能问题

随着汽车ECU对集成化的要求越来越高，把多个ECU功能集中到一个多核MCU的需求也越来越明显。

以汽车制动相关的One-Box为例，在设计上集成ESC功能，机械上和制动相关的eBooster共用一套液压系统，相比传统的真空助力器，两者协调工作，能够精准高效地支持驾驶员或智能驾驶系统的制动请求。

以往单核MCU在主频、存储等资源上捉襟见肘，例如在电机控制上高频中断（50us-100us）是常见应用，如果只是单核处理，系统负载上到90%非常正常；因此如果能有一个核单独运行处理这些，另一个核做常规应用和底层软件，就能更好地提升系统性能。

• ECU不同工作负载对芯片的不同需求

这个最常见就是智驾域和座舱域，需要兼顾高性能和高实时性，高性能主要负责大数据运算，高实时性主要用于控制。

以座舱域为例，目前多基于SoC+MCU的组合，如下图：

左侧MCU作为车内通讯接口，负责CAN数据的解析和转发、电源管理、诊断故障处理、功能安全管理等，常见芯片如RH850-F1KM、TC377；

右侧SoC主要负责高性能计算，例如IVI各种娱乐应用、视频、摄像头数据处理，芯片例如高通6155、8155、8195等等；

同样的，随着电子电气架构的不断演进变革，计算硬件单元更加集中，ECU 芯片的数量也会大幅减少，软件不再基于特定的 ECU 来开发，因此需要使用支持不同工作负载的计算芯片（System on Chip）和标准化的编程接口。

2.多核分类

所谓多核(Multicore)，其实就是在同一Die上面有多个CPU，这些CPU通过芯片内部总线互联起来，因此多核可以以不同视角来进行分类。

2.1 同构和异构

从硬件视角来看，多核架构可以分为同构多核和异构多核。

同构多核（Homogenous）：具备相同微架构的core集成到一颗芯片；

异构多核（Heterogeneous）：不同微架构的Core集成到一颗芯片；

从目前常用的车规MCU趋势来看，在一颗芯片上可能会同时看到同构和异构多核，我们以英飞凌TC37x为例，它包含内核有TriCore、Cortex-M3（HSM）、MCS（GTM）、XC800（SCR）等，如下图所示（蓝色箭头表示异构，绿色方框表示同构）：

在上图中我们可以看到，除了同构和异构，在TriCore里还有一个Checker Core，这就是我们看过但是基本不怎么在意的锁步多核(LockStep Multicore)。

为啥会有锁步多核这个东西呢？这还得从功能安全角度来看，在这个视角里，有一类故障会让软件感到非常痛苦，那就是瞬态故障(Transient Fault)：非永久存在但会偶发的故障。一般这个故障由辐射引起，极端情况下辐射会造车内核寄存器、存储器上的值发生变化，虽然这时候软件或者硬件都无故障，但仍旧出现了偏离预定行为的现象。这类错误无法预见，Debug也可能无法复现，基于此，锁步多核出现了，这一对锁步核的两个core会执行同一份代码，一般情况在输入时CheckCore会延迟几个时钟周期执行，在输出时主Core会相应延迟相同周期，由硬件比较输出是否一致，不一致则出现lockstep错误。

锁步核的出现，能够在极大减少软件开销的情况下时系统达到高功能安全等级（例如ASIL D）。

2.2 SMP和AMP

那么从软件角度来看，多核系统又可以分为SMP和AMP。

SMP（Symmetric Multi-Processing，对称处理）：所有核运行同一套程序；

AMP（Asymmetric Multi-Processing，非对称处理）：不同核运行不同程序；

需要注意的是，SMP只能在同构多核的硬件架构下实现，因为内核指令集、寄存器等均相同，在软件实现就不太需要考虑平台兼容的问题，但需要通过Core ID来调度当前任务执行，如TC3xx的iLLD代码：

AMP表示不同核运行不同程序，不管在同构还是异构多核硬件下都可以实现，但是由于指令集、操作系统的不同，对于公共资源的访问会存在竞争，为了避免资源冲突，AMP设计上还需要提供访问共享硬件组件的标准化接口。

举个例子，TriCore执行正常的应用任务，但HSM运行的是加解密服务任务，二者交互通过IPC、Mailbox，如果共享资源（RAM）没有做好权限划分就很容易出现问题。

3 小结

需要注意的是，AMP&SMP、同构&异构是在不同视角下对于多核架构的定义，同构多核的硬件架构既可以支持SMP，还可以支持AMP的软件设计，但是异构多核的硬件架构只能支持AMP软件设计，如下图：